DE112020007317T5 - METHOD OF CONNECTING SURFACE MOUNT ELECTRONIC COMPONENTS TO A CIRCUIT BOARD - Google Patents
METHOD OF CONNECTING SURFACE MOUNT ELECTRONIC COMPONENTS TO A CIRCUIT BOARD Download PDFInfo
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Abstract
Es ist ein Verfahren zum Verbinden eines elektronischen Bauteils mit einer Leiterplatte offenbart. Zunächst werden ein Substrat und ein elektronisches Bauteil, zwischen denen sich Lötmaterial befindet, unter einer Blitzlampe platziert. Mehrere Lichtpulse von der Blitzlampe werden auf das elektronische Bauteil, das Substrat und das Lötmaterial aufgebracht, bis das Lötmaterial wieder aufschmilzt. Während der Beaufschlagung mit den Lichtpulsen werden die Leistung von einem der Lichtpulse von der Blitzlampe und die Temperatur des elektronischen Bauteils gemessen, die gemessene Leistung wird in Strahlungsexposition umgewandelt, und in Reaktion auf die gemessene Temperatur des elektronischen Bauteils wird das Tastverhältnis eines nächsten Lichtpulses in Abhängigkeit von der Strahlungsexposition des einen Lichtpulses adaptiv eingestellt. A method of connecting an electronic component to a circuit board is disclosed. First, a substrate and an electronic component with solder sandwiched between them are placed under a flash lamp. Multiple pulses of light from the flash lamp are applied to the electronic component, substrate and solder until the solder reflows. During the exposure to the light pulses, the power of one of the light pulses from the flashlamp and the temperature of the electronic component are measured, the measured power is converted into radiation exposure, and in response to the measured temperature of the electronic component, the duty cycle of a next light pulse is dependent is adaptively adjusted by the radiation exposure of the one light pulse.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf Herstellungsverfahren im Allgemeinen und im Spezielleren auf ein Verfahren zum Verbinden von oberflächenmontierbaren elektronischen Komponenten bzw. Bauteilen mit einer Leiterplatte.The present application relates to manufacturing methods in general, and more particularly to a method of connecting surface mount electronic components to a printed circuit board.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Im Allgemeinen können elektronische Bauteile durch Löten mit einer Leiterplatte verbunden werden. Mit dem Aufkommen der Oberflächenmontagetechnik und des Wellenlötens ist die Notwendigkeit, elektronische Bauteile manuell auf eine Leiterplatte zu löten, aus Produktionssicht weitgehend entfallen.In general, electronic components can be connected to a circuit board by soldering. With the advent of surface mount technology and wave soldering, the need to manually solder electronic components onto a circuit board has largely disappeared from a production perspective.
Die Oberflächenmontagetechnik erfordert die Verwendung von Lötpaste mit in einem organischen Flussmittel dispergierten Lötpartikeln. Die Lötpaste wird selektiv auf eine Leiterplatte aufgetragen, worauf die zu lötenden elektronischen Bauteile platziert werden und anschließend die Leiterplatte in einen Reflow- bzw. Wiederaufschmelz-Ofen platziert wird, der mit einem Förderer ausgestattet ist. Durch Erwärmung verflüssigt der Reflow-Ofen die Lötpaste wieder, um das Flussmittel in der Lötpaste zu aktivieren, die Oberflächen zu reinigen und das Lötmaterial zu schmelzen. Das geschmolzene Lötmaterial benetzt die Oberflächen und erstarrt, wodurch eine gute elektrische/mechanische Verbindung zwischen den elektronischen Bauteilen und der Leiterplatte entsteht.The surface mount technique requires the use of solder paste with solder particles dispersed in an organic flux. Solder paste is selectively applied to a printed circuit board, electronic components to be soldered are placed thereon, and then the printed circuit board is placed in a reflow oven equipped with a conveyor. When heated, the reflow oven reflows the solder paste to activate the flux in the solder paste, clean the surfaces, and melt the solder material. The molten solder wets the surfaces and solidifies, creating a good electrical/mechanical connection between the electronic components and the circuit board.
Das Wiederaufschmelz- bzw. Reflow-Verfahren weist jedoch einige Einschränkungen auf. Da die gesamte Baugruppe den Reflow-Ofen durchlaufen muss, müssen die gesamte Leiterplatte und die elektronischen Bauteile in der Lage sein, der hohen Temperatur standzuhalten, die für das Wiederaufschmelzen der Lötpaste erforderlich ist. Bei der Standardlötpaste SAC-305 liegt die Temperatur bei etwa 217 °C. Eine weitere Einschränkung des Reflow-Verfahrens ist die lange Zeit, die für die Verarbeitung der Lötpaste benötigt wird, damit das Lötmaterial aufschmelzen kann. In der Regel dauert es etwa 10 Minuten, da das thermische Profil des Reflow-Ofens sorgfältig gesteuert wird und mehrere vorbestimmte Schritte mit Hochheizen, Einwirken und Absenken der Temperaturzonen umfassen kann.However, the reflow process has some limitations. Because the entire assembly must go through the reflow oven, the entire PCB and electronic components must be able to withstand the high temperature required to reflow the solder paste. With the standard SAC-305 solder paste, the temperature is around 217 °C. Another limitation of reflow is the long time it takes to process the solder paste to allow the solder to reflow. Typically it takes about 10 minutes as the thermal profile of the reflow oven is carefully controlled and can involve several predetermined steps of ramping up, soaking and ramping down the temperature zones.
Eine Lösung für die hohen Temperaturanforderungen des Reflow-Verfahrens ist die Verwendung von Lötpaste mit einer niedrigeren Wiederaufschmelz-Temperatur. Derzeit haben solche Lötpasten im Vergleich zu standardmäßigen SAC-konformen Lötpasten tendenziell schlechte thermische und mechanische Eigenschaften. Eine weitere Lösung für die hohen Temperaturanforderungen des Reflow-Verfahrens ist die Verwendung von elektrisch leitenden Klebstoffen anstelle von Lötpaste. Dies ermöglicht eine Verarbeitung bei nahezu Raumtemperatur (25°C). Wie bei den Niedrigtemperatur-Lötpasten wird die mechanische und elektrische Robustheit der Verbindungen geopfert.One solution to the high temperature requirements of reflow is to use solder paste with a lower reflow temperature. Currently, such solder pastes tend to have poor thermal and mechanical properties compared to standard SAC-compliant solder pastes. Another solution to the high temperature requirements of reflow is to use electrically conductive adhesives instead of solder paste. This enables processing at almost room temperature (25°C). As with low-temperature solder pastes, the mechanical and electrical robustness of the connections is sacrificed.
Beim Reflow-Verfahren wird Energie durch Konvektion auf die elektronischen Bauteile, die Leiterplatte und die Lötpaste übertragen, was zu einem weiteren Problem führt. Die Scherung der Luft in dem Reflow-Ofen kann dazu führen, dass elektronische Bauteile von der Leiterplatte geblasen oder falsch ausgerichtet werden, bevor sie mit der Leiterplatte verlötet werden. Dies wird zu einem größeren Problem, wenn die elektronischen Bauteile sehr klein sind, da ihr aerodynamischer Querschnitt im Verhältnis zum Gewicht größer ist.In the reflow process, energy is transferred to the electronic components, the circuit board and the solder paste by convection, which leads to another problem. The shear of the air in the reflow oven can cause electronic components to be blown off the board or misaligned before they are soldered to the board. This becomes a bigger problem when the electronic components are very small, since their aerodynamic cross-section is larger in relation to the weight.
Ein alternativer Ansatz zu dem Reflow-Verfahren ist die Verwendung eines Lasers. Bei diesem Ansatz kann ein Festkörperlaser auf Lötverbindungen oder elektronische Bauteile gerichtet werden, um diese zu erhitzen und das Lötmaterial wieder zu verflüssigen bzw. aufzuschmelzen, ohne die gesamte Leiterplatte zu erhitzen. Das Laserverfahren ist in der Lage, eine präzise Menge an Leistung und Energie an die Lötstellen zu liefern, um die Lötpaste in etwa einer Sekunde wieder aufzuschmelzen. Der Laserprozess ist jedoch von Natur aus seriell, so dass die Gesamtzeit, die für eine Leiterplatte mit vielen Lötverbindungen benötigt wird, mit der Anzahl der Lötverbindungen ansteigt. Darüber hinaus erfordert das Laserverfahren eine Ausrichtung mit Lötstellen. Mit anderen Worten, es erfordert entweder ein Bildverarbeitungssystem und/oder eine sorgfältige Ausrichtung und Programmierung der Position jeder zu lötenden Stelle. Darüber hinaus kann das Laserverfahren durch ungleichmäßige Strahlen beeinträchtigt werden, was zu einer ungleichmäßigen Erwärmung der elektronischen Bauteile führen kann. Dies führt zu mangelhaften Lötverbindungen, zur Beschädigung anderer Teile der Leiterplatte oder zum sogenannten „Tombstoning“ bzw. Grabesteineffekt von elektronischen Bauteilen.An alternative approach to reflow is to use a laser. With this approach, a solid-state laser can be aimed at solder joints or electronic components to heat them and reflow or reflow the solder without heating the entire circuit board. The laser process is able to deliver a precise amount of power and energy to the solder joints to reflow the solder paste in about a second. However, the laser process is serial in nature, so the total time required for a board with many solder joints increases with the number of solder joints. In addition, the laser process requires alignment with solder joints. In other words, it requires either a vision system and/or careful alignment and programming of the position of each spot to be soldered. In addition, the laser process can be affected by uneven beams, which can lead to uneven heating of the electronic components. This leads to poor solder connections, damage to other parts of the circuit board, or "tombstoning" of electronic components.
Ein weiterer alternativer Ansatz zum Reflow-Verfahren ist die Verwendung einer kontinuierlichen Lichtquelle, wie z.B. einer Wolframfadenlampe oder einer Halogenlampe auf Wolfram-Basis. Ein Problem bei diesem Ansatz besteht darin, dass das Ein- und Ausschalten der Lichtquelle eine endliche Zeitspanne, etwa eine Sekunde, in Anspruch nimmt. Im Gegensatz zum Laserverfahren kann eine kontinuierliche Lichtquelle nicht auf der Zeitskala der thermischen Gleichgewichtszeit der Lötpastenaufbringung moduliert werden, die normalerweise weniger als 100 Millisekunden beträgt. Diese Einschränkung erschwert die Möglichkeit der präzisen Steuerung des Leistungs- und Energieprofils, das auf das zu bearbeitende Material aufgebracht wird. Dies gilt insbesondere für eine Exposition, bei der das bearbeitete Zielmaterial während der Exposition stationär ist. In dem Fall, in dem das Zielmaterial transportiert wird, besteht ein ähnliches Problem, da die ideale Exposition im Allgemeinen mit der Fördergeschwindigkeit gekoppelt ist. Die Einstellung entweder der Fördergeschwindigkeit oder des Expositionsniveaus kann nicht schnell genug erfolgen, um die Ausgangsleistung der Maschine derart zu steuern, dass eine gleichmäßige Wärmebehandlung des verarbeiteten Materials gewährleistet ist.Another alternative approach to reflow is to use a continuous light source such as a tungsten filament lamp or a tungsten-based halogen lamp. A problem with this approach is that turning the light source on and off takes a finite amount of time, about a second. Unlike the laser process, a continuous light source cannot be modulated on the time scale of the thermal equilibrium time of solder paste deposition, which is usually less than 100 milliseconds. This limitation makes it difficult to precisely control the power and energy profile applied to the material being processed. This is especially true for an exposure where the processed target material is stationary during the exposure. In the case where the target material is being conveyed, a similar problem exists since the ideal exposure is generally coupled to the conveying speed. Adjusting either the conveyor speed or the exposure level cannot be done quickly enough to control the machine's power output to ensure even heat treatment of the material being processed.
Folglich wäre es wünschenswert, ein verbessertes Verfahren zum elektrischen und mechanischen Verbinden von oberflächenmontierbaren elektronischen Bauteilen mit einer Leiterplatte bereitzustellen.Accordingly, it would be desirable to provide an improved method of electrically and mechanically connecting surface mount electronic components to a circuit board.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
Gemäß einer Ausführungsform werden ein Substrat und ein elektronisches Bauteil, zwischen denen sich Lötmaterial befindet, unter einer Blitzlampe platziert. Mehrere Lichtpulse von der Blitzlampe werden auf das elektronische Bauteil, das Substrat und das Lötmaterial aufgebracht, bis das Lötmaterial wieder aufschmilzt. Während des Aufbringens der Lichtpulse werden die Leistung von einem der Lichtpulse von der Blitzlampe und die Temperatur des elektronischen Bauteils gemessen, die gemessene Leistung wird in Strahlungsexposition umgewandelt bzw. umgerechnet und in Reaktion auf die gemessene Temperatur des elektronischen Bauteils wird das Tastverhältnis bzw. der „duty cycle“ für einen nächsten Lichtpuls in Abhängigkeit von der Strahlungsexposition des einen Lichtpulses adaptiv eingestellt.According to one embodiment, a substrate and an electronic component with solder material sandwiched between them are placed under a flashlamp. Multiple pulses of light from the flash lamp are applied to the electronic component, substrate and solder until the solder reflows. During the application of the light pulses, the power of one of the light pulses from the flashlamp and the temperature of the electronic component are measured, the measured power is converted into radiation exposure and in response to the measured temperature of the electronic component the duty cycle or " duty cycle” for a next light pulse is set adaptively depending on the radiation exposure of the one light pulse.
Alle Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung verdeutlicht.All of the features and advantages of the present invention will become apparent in the detailed description that follows.
Figurenlistecharacter list
Die eigentliche Erfindung sowie eine bevorzugte Verwendungsart, weitere Ziele und Vorteile der Erfindung sind am besten unter Bezugnahme auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung einer exemplarischen Ausführungsform zu verstehen, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird; dabei zeigen:
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1 eine isometrische Ansicht eines Systems zur thermischen Bearbeitung von Lötpaste zum Verbinden von oberflächenmontierbaren elektronischen Bauteilen mit einer Leiterplatte gemäß einer Ausführungsform; -
2 ein detailliertes Blockdiagramm des Systems aus1 gemäß einer Ausführungsform; -
3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Verbinden von oberflächenmontierbaren elektronischen Bauteilen mit einer Leiterplatte; und -
4 eine grafische Darstellung der Intensität der Blitzlampen-Emission gegenüber der Wellenlänge bei zwei unterschiedlichen Zündspannungen der Kondensatorbank.
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1 14 is an isometric view of a solder paste thermal processing system for connecting surface mount electronic components to a circuit board according to an embodiment; -
2 a detailed block diagram of the system1 according to one embodiment; -
3 a flowchart of a method for connecting surface-mountable electronic components to a printed circuit board; and -
4 Figure 12 shows a plot of flashlamp emission intensity versus wavelength at two different capacitor bank ignition voltages.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMDETAILED DESCRIPTION OF A PREFERRED EMBODIMENT
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf
Das Gehäuse 110 kann eine Kammer mit kontrollierter Umgebung (nicht dargestellt) enthalten, die mit einem Inertgas, z.B. Stickstoff, oder einem reaktiven Gas, z.B. Ameisensäure, oder mit einem Vakuum gefüllt sein kann, in der die thermische Bearbeitung an elektronischen Bauteilen bzw. Komponenten ausgeführt werden kann. Darüber hinaus kann das Gehäuse 110 einen Förderer bzw. ein Förderband (nicht dargestellt) für den Transport elektronischer Bauteile während der thermischen Bearbeitung aufweisen.The
Verschiedene mechanische Geräte und elektrische Komponenten, die für den Betrieb des Systems 100 ausgebildet sind, können in dem Geräteträger 160 untergebracht sein.Various mechanical devices and electrical components designed to operate the
Unter Bezugnahme auf
Die Kondensatorbank 220 kann durch die Kondensatorbank-Ladestromversorgung 210 aufgeladen werden. Die Ladungen aus der Kondensatorbank 220 werden dann über die Schaltvorrichtung 230 auf IGBT-Basis in die Blitzlampe 250 entladen, wobei die Schaltvorrichtung 230 auf IGBT-Basis während der Entladung durch die Frequenzsteuerung 240 wiederholt ein- und ausgeschaltet wird. Die Frequenzsteuerung 240 regelt die Ansteuerung der Schaltvorrichtung 230 auf IGBT-Basis, die ihrerseits die Schaltfrequenz der Entladung steuert. Das wiederholte Ein- und Ausschalten der Schaltvorrichtung 230 auf IGBT-Basis dient dazu, den Stromfluss von der Kondensatorbank 220 zu der Blitzlampe 250 zu modulieren, wobei dies wiederum die Blitzlampe 250 ein- und ausschaltet. Mit anderen Worten heißt dies, die Frequenz bzw. Pulslänge der von der Blitzlampe 250 ausgesandten Lichtpulse ist durch die Frequenzsteuerung 240 vorgegeben.The
Die Fotodiode 260 muss kalibriert werden, bevor das System 100 für die thermische Bearbeitung eingesetzt werden kann. Die Fotodiode 260 kann unter Verwendung des Bolometers 270 kalibriert werden, das vorzugsweise auf das National Institute of Standards and Technology (NIST) zurückzuführen ist. Während der Kalibrierung werden sowohl die Fotodiode 260 als auch das Bolometer 270 einem einzigen Lichtpuls ausgesetzt, der von der Blitzlampe 250 ausgesendet bzw. emittiert wird. Das Bolometer 270 misst die Strahlungsexposition oder Energie pro Fläche (in der Einheit J/cm2) des einzelnen Lichtpulses, und die Fotodiode 260 misst die momentane Leistung (in der Einheit W) des gleichen Lichtpulses. Die momentanen Leistungssignale von der Fotodiode 260 werden dann durch den Integrator 265 integriert, um einen Strahlungsexpositionswert des gleichen einzelnen Lichtpulses zu erhalten, und die Strahlungsexpositionsmessung von dem Bolometer 270 wird durch diesen Strahlungsexpositionswert von dem Integrator 265 dividiert, um einen Kalibrierungsfaktor wie folgt zu generieren:
Nach der Kalibrierung kann die Kombination aus Fotodiode 260 und Integrator 265 verwendet werden, um Information über die Strahlungsexposition jedes von der Blitzlampe 250 emittierten Lichtpulses zu erhalten. Grundsätzlich kann die Strahlungsexpositionsinformation eines von der Blitzlampe 250 emittierten Lichtpulses durch Multiplizieren des während der Kalibrierung erhaltenen Kalibrierungsfaktors mit dem Ausgangswert des Integrators 265 (bei dem es sich um den Strahlungsexpositionswert des von der Blitzlampe 250 emittierten Lichtpulses handelt, der durch Integrieren der von der Fotodiode 260 gemessenen momentanen Leistungssignale des von der Blitzlampe 250 emittierten Lichtpulses gebildet wird) berechnet werden.After calibration, the
Obwohl Fotodioden technisch für die Messung der momentanen Leistung und nicht der Strahlungsexposition ausgelegt sind, bestehen die Gründe zur Verwendung von Fotodioden, wie der Fotodiode 260, zur Erzielung von Strahlungsexpositionsinformation der Lichtpulse von der Blitzlampe 250 in dem System 100 darin, dass Fotodioden zuverlässig und klein genug sind, um in der Nähe der Blitzlampe 250 platziert zu werden oder Licht von einer kleinen optischen Faser abzutasten, die die Lichtpulse nicht verdeckt. Indem Fotodioden eine relativ hohe Abtastrate von über 1 MHz aufweisen, sind diese außerdem kostengünstig.Although photodiodes are technically designed to measure instantaneous power and not radiation exposure, the rationale for using photodiodes, such as
Um mit einer Fotodiode die Strahlungsexpositionsinformation von Lichtpulsen von einer Blitzlampe zu erhalten, muss die Fotodiode jedoch, wie vorstehend erwähnt, kalibriert werden. Ein Grund für die Kalibrierung findet sich in
Das vorstehend erwähnte Kalibrierungsverfahren ist dazu ausgelegt, die Unzulänglichkeiten einer Fotodiode zu beheben. Durch Verwendung eines Bolometers, z.B. des Bolometers 270, und eines Integrators, z.B. des Integrators 265, kann die Fotodiode durch Integration der Leistungssignale eines einzelnen von einer Blitzlampe ausgesandten Lichtpulses kalibriert werden. Ein Bolometer kann im Gegensatz zu einer Fotodiode die Strahlungsexposition (Gesamtenergie) messen, die von einem von der Blitzlampe ausgesandten Lichtpuls ausgeht. Dies ist im Wesentlichen darauf zurückzuführen, dass das Strahlungserfassungselement eine flache bzw. gleichmäßige Empfindlichkeit über das gesamte Emissionsspektrum aufweist. Eine Verschiebung des Emissionsspektrums der Blitzlampe beeinträchtigt somit nicht die Fähigkeit des Bolometers, das gesamte darauf auftreffende Licht zu messen. Aber auch die Strahlungsexposition von Lichtpulsen von der Blitzlampe kann nicht einfach unter Verwendung eines Bolometers gemessen werden. Dies liegt daran, dass das zeitliche Ansprechen eines Bolometers sehr schlecht ist. Eine typische Zeitauflösung eines Bolometers kann bei etwa 1 Hz liegen, die einer Fotodiode bei über 1 MHz. Außerdem ist ein Bolometer in der Regel recht groß und wird daher einen Teil des Lichts von einer Blitzlampe verdecken. The calibration method mentioned above is designed to overcome the deficiencies of a photodiode. By using a bolometer, such as
Unter Bezugnahme auf
Als Nächstes wird eine Leiterplatte oder ein Substrat mit etwas Lötpaste zwischen einem elektronischen Bauteil und der Leiterplatte unter der Blitzlampe platziert, wie in Block 320 dargestellt. Bei der Lötpaste kann es sich um jede beliebige Lötpaste handeln, einschließlich SAC-konformer Lötpaste oder eines Dickschichtmaterials mit einer Dicke von mehr als 50 Mikrometern. Das Substrat kann eine Leiterplatte mit Standard-Leiterplattenmaterial sein, wie z.B. FR4, ein Duroplast oder ein Thermoplast mit einer maximalen Arbeitstemperatur von weniger als 200 °C. Mehrere Lichtpulse von der Blitzlampe werden dann auf das elektronische Bauteil, die Lötpaste und die Leiterplatte aufgebracht, wie in Block 330 dargestellt.Next, a circuit board or substrate with some solder paste is placed between an electronic component and the circuit board under the flashlamp, as shown in
Während der Aufbringung von Lichtpulsen (d.h. der thermischen Bearbeitung) wird der Strahlungsexpositionswert jedes Lichtpulses von der Blitzlampe durch die kalibrierte Fotodiode und einen Integrator, wie z.B. den Integrator 265 aus
In Verbindung damit überwacht die IR-Kamera die Leiterplatte, um die Temperatur des elektronischen Bauteils und/oder die Temperaturverteilung über die Leiterplatte während der Aufbringung von Lichtpulsen zu messen. Da die Emission von der Blitzlampe im Bereich von 250 nm bis ca. 1.700 nm liegt und die IR-Kamera hauptsächlich im 10-Mikrometer-Bereich des elektromagnetischen Spektrums „sieht“, gibt es keine Interferenz der Blitzlampe mit der Infrarot-Emission durch die Leiterplatte. Somit kann die IR-Kamera die Erwärmung über die Leiterplatte während der Blitzlampenverarbeitung „sehen“.In conjunction therewith, the IR camera monitors the circuit board to measure the temperature of the electronic component and/or the temperature distribution across the circuit board during the application of light pulses. Because the emission from the flashbulb is in the range of 250nm to ~1700nm and the IR camera mainly "sees" in the 10 micron region of the electromagnetic spectrum, there is no interference of the flashbulb with the infrared emission through the PCB . This allows the IR camera to "see" the heating across the PCB during flashlamp processing.
Die von der Fotodiode gemessene Leistungsinformation wird mit Hilfe des Kalibrierungsfaktors, der während des Kalibrierungsprozesses (d. h. in Block 310) ermittelt wurde, in einen Strahlungsexpositionswert umgewandelt. Auf der Basis des Strahlungsexpositionswerts eines Lichtpulses und der gemessenen Temperaturinformation des elektronischen Bauteils kann die Frequenz und/oder das Tastverhältnis eines nachfolgenden Lichtpulses vor der Aufbringung des nachfolgenden Lichtpulses adaptiv eingestellt werden, wie in Block 350 dargestellt.The power information measured by the photodiode is converted to a radiation exposure value using the calibration factor determined during the calibration process (i.e., at block 310). Based on the radiation exposure value of a light pulse and the measured temperature information of the electronic component, the frequency and/or duty cycle of a subsequent light pulse may be adaptively adjusted prior to application of the subsequent light pulse, as illustrated in block 350 .
Beispielsweise kann ein Computer, wie z.B. der Computer 290 aus
Als Nächstes erfolgt eine Bestimmung dahingehend, ob die Lötpaste wieder aufgeschmolzen ist oder nicht, wie in Block 360 dargestellt. Wenn die Lötpaste nicht wieder aufgeschmolzen ist, kehrt der Prozess zu Block 330 zurück; wenn die Lötpaste jedoch wieder aufgeschmolzen ist, kann die Aufbringung von Lichtpulsen beendet werden, wie in Block 370 dargestellt. Die in den Blöcken 330, 340, 350 und 360 dargestellten Schritte werden iterativ durchgeführt. Nach dem Wiederaufschmelzen der Lötpaste kühlt diese dann ab und erstarrt. Zu diesem Zeitpunkt ist das elektronische Bauteil über das erstarrte Lötmaterial mit der Leiterplatte verbunden.Next, a determination is made as to whether or not the solder paste has reflowed, as shown in block 360 . If the solder paste has not reflowed, the process returns to block 330; however, once the solder paste has reflowed, the application of light pulses may be terminated, as shown in
Bei einer gegebenen Zündspannung einer Kondensatorbank, wie z.B. der Kondensatorbank 220 aus
Die in der vorliegenden Offenbarung beschriebene Technik ermöglicht eine rückverfolgbare Messung der von der Blitzlampe abgegebenen Strahlungsenergie. So kann bei einer Zündrate von 10 Hz die durchschnittlich abgegebene Leistung (oder kumulative Energie) bei einer Datenrate von 10 Hz bekannt sein. Bei einer Zündrate von 50 Hz kann die durchschnittlich abgegebene Leistung bei einer Datenrate von 50 Hz bekannt sein. Darüber hinaus kann die Zündrate und/oder das Tastverhältnis der Blitzlampe während des Bearbeitungsintervalls, das größer als 1 Sekunde ist, durch die Frequenzsteuerung elektronisch eingestellt werden, um ein maßgeschneidertes Leistungsprofil zu erzeugen. Durch Variieren der Pulsrate und/oder des Tastverhältnisses wird die über die Zeit abgegebene Energiemenge variiert.The technique described in the present disclosure allows for a traceable measurement of the radiant energy emitted by the flashlamp. For example, at a firing rate of 10 Hz, the average power output (or cumulative energy) at a data rate of 10 Hz can be known. With a firing rate of 50 Hz, the average power output can be known at a data rate of 50 Hz. In addition, during the processing interval greater than 1 second, the firing rate and/or duty cycle of the flashlamp can be electronically adjusted by frequency control to produce a tailored performance profile. By varying the pulse rate and/or the duty cycle, the amount of energy delivered over time is varied.
Das Erwärmungsprofil für ein elektronisches Bauteil kann vorprogrammiert sein oder während der Bearbeitung modifiziert werden, wie dies durch einen auf eine Leiterplatte (oder ein Material) trainierten Temperatursensor während der Verarbeitung festgestellt wird. Bei letzterem ist die Kenntnis der Emissionsenergie von der Blitzlampe nur die Hälfte des Problems. Die gesamte Platine wird beleuchtet bzw. angestrahlt, einschließlich der Leiterplatte, der Metallbahnen, der elektronischen Bauteile und der Lötpaste. Da jedes Element ein anderes Absorptionsvermögen für die Strahlung der Blitzlampe, eine andere thermische Masse und eine andere thermische Verbindung zu umliegenden Bauteilen aufweist, wird jedes Element von einer einheitlichen Emissionsquelle auf eine andere Temperatur erhitzt. Daher ist es nicht nur wichtig, die Emission der Blitzlampe zu kennen, sondern auch das Erwärmungsverhalten der verschiedenen elektronischen Bauteile auf einer Leiterplatte aufgrund der Emission.The heating profile for an electronic component can be preprogrammed or modified during processing, as detected by a circuit board (or material) trained temperature sensor during processing. For the latter, knowing the emission energy from the flashlamp is only half the problem. The entire board is illuminated, including the circuit board, metal traces, electronic components, and solder paste. Because each element has a different absorptivity for flashlamp radiation, thermal mass, and thermal connection to surrounding components, each element is heated to a different temperature by a uniform emission source. It is therefore important not only to know the emission of the flashbulb, but also the heating behavior of the various electronic components on a circuit board due to the emission.
Während der Bearbeitungszeit, die 1 bis 10 Sekunden beträgt, können mehrere thermische Prozesse von dem System 100 ausgeführt werden, wie z.B. die Aktivierung des Flussmittels, die Verdampfung des Flussmittels, das Erhitzen der Lötpartikel auf ihren Schmelzpunkt, das Schmelzen der Lötpartikel und das Wiederaufschmelzen des Lots. Da alle vorstehend genannten Bearbeitungsschritte in einem sehr kurzen Zeitraum ausgeführt werden, ist es notwendig, eine bekannte Leistungsmenge an eine Leiterplatte abgeben zu können und diese Leistung während der Verarbeitung variieren zu können.During the processing time, which is 1 to 10 seconds, several thermal processes can be performed by the
Das System 100 ist auch in der Lage, die gleiche durchschnittliche Leistung über einen bestimmten Zeitraum mit einer variierenden spektralen Ausgangsleistung abzugeben. Dies ermöglicht eine bessere Unterscheidung zwischen dem, was auf einer Leiterplatte durch den Strahl erwärmt wird, und dem, was nicht erwärmt wird, da verschiedene Teile oder elektronische Komponenten auf einer Leiterplatte ein unterschiedliches Absorptionsvermögen über das Emissionsspektrum der Blitzlampe 250 aufweisen. Insbesondere ist dann, wenn die Zündspannung der Kondensatorbank 220 höher ist, die Gesamtleistung über das gesamte Spektrum höher als bei einer niedrigeren Spannung, wobei jedoch der Anteil des Lichts mit kürzeren Wellenlängen höher ist (siehe
Das System 100 kann ein oder mehrere Lampengehäuse aufweisen, von denen jedes mindestens eine Blitzlampe wie die Blitzlampe 250 enthält. Dies ermöglicht die thermische Bearbeitung von Lötmaterial auf einer Leiterplatte sowie einer Dickschicht auf einem Substrat durch Bestrahlung von oben (z.B. Bestrahlung von der Dickschichtseite), Bestrahlung von unten (z.B. Bestrahlung von der Substratseite) oder beides. Die obere und die untere Blitzlampe können in ihrer Zündung unabhängig voneinander synchronisiert werden, oder sie können das gleiche Zündungsauslösesignal erhalten.
Der Förderer innerhalb des Systems 100 besitzt zwei Betriebsarten, nämlich einen stationären Modus und einen synchronisierten Modus. Im stationären Modus wird eine Leiterplatte während der Bearbeitung nicht transportiert, und das Expositionsprofil wird durch die Frequenzsteuerung 240 elektronisch gesteuert. In diesem Fall kann die Pulsfrequenz und damit die von der Blitzlampe 250 abgegebene Leistung über die Zeit der Bearbeitung verändert werden. Alternativ dazu kann die Pulslänge jedes Pulses während der Bearbeitung geändert werden, um die von der Blitzlampe 250 pro Puls an die Leiterplatte abgegebene Energie einzustellen bzw. anzupassen. Im synchronisierten Modus kann die Pulsrate der Lichtpulse von der Blitzlampe 250 mit der Fördergeschwindigkeit des Förderers synchronisiert werden, um die gleiche Strahlungsexposition, d.h. die in J/cm2 angegebene Gesamtenergie zu erhalten, die auf die transportierte Leiterplatte aufgebracht wird. In diesem Fall kann die abgegebene Strahlungsexposition unabhängig von der Fördergeschwindigkeit sein.The conveyor within the
Während des synchronisierten Modus kann das Blitzlampengehäuse, das die Blitzlampe 250 hält und das mit einem Reflektor ausgestattet ist, um das Licht von der Blitzlampe 250 in Richtung auf die Leiterplatte zu richten, nach oben gekippt, z.B. in Förderrichtung oder entgegen der Förderrichtung gedreht werden, während die Leiterplatte an dem Blitzlampengehäuse vorbeigeführt wird. Wenn das Blitzlampengehäuse parallel zu der transportierten Leiterplatte angeordnet ist, ist die Exposition sehr gleichmäßig und weist eine Abweichung von etwa 2 bis 3 % über den Expositionsbereich auf. Wenn das Blitzlampengehäuse weiter von der Leiterplatte entfernt ist, sind die Lichtpulse weniger intensiv. Durch Kippen des Kopfes der Blitzlampe 250 kann die Intensität der Exposition erhöht oder verringert werden, während die Leiterplatte an dem Kopf der Blitzlampe 250 vorbeigeführt wird. Dieses Merkmal ermöglicht eine bessere Kontrolle des Gases, das bei der Bearbeitung der Lötpaste entsteht, so dass die elektronischen Bauteile erfolgreich und ohne Fehler angebracht werden können.During the synchronized mode, the flashlamp housing that holds the
Wie vorstehend beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zum elektrischen und mechanischen Verbinden von oberflächenmontierbaren elektronischen Bauteilen mit einer Leiterplatte bereit.As described above, the present invention provides an improved method of electrically and mechanically connecting surface mount electronic components to a printed circuit board.
Obwohl das System 100 für die Verarbeitung von Lötpaste ausgelegt ist, eignet es sich auch für die Verarbeitung jeder Dickschicht über 50 Mikrometer, da die gleichen Probleme auftreten, wie z.B. die Notwendigkeit, eine präzise und große Energiemenge (>30 J/cm2) über ein präzises Leistungsprofil über einen Zeitraum von 1 bis 10 Sekunden mit mehreren Lichtpulsen aufzubringen. Darüber hinaus ermöglicht das offenbarte Verfahren das Anbringen von thermisch empfindlichen elektronischen Bauteilen auf einer Leiterplatte, indem das gesamte Wärmebudget gegenüber dem Stand der Technik reduziert wird. Das verringerte Wärmebudget ermöglicht außerdem die Verwendung von Bearbeitungs-Dickschichten auf thermisch empfindlichen Substraten mit maximalen Betriebstemperaturen von weniger als 200 °C. Beispiele hierfür sind Thermoplaste wie PVC, TPU, Polyester, PET, PEN, Papier usw.Although the
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform im Einzelnen dargestellt und beschrieben worden ist, versteht es sich für die Fachleute, dass verschiedene Änderungen in Form und Details vorgenommen werden können, ohne dass man den Umfang der Erfindung verlässt.While the invention has been shown and described in detail with reference to a preferred embodiment, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail may be made without departing from the scope of the invention.
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