DE10015938A1

DE10015938A1 - Laser-Lötvorrichtung und Verfahren zum Abschätzen des Emissionsgrades einer Lötstellenoberfläche

Info

Publication number: DE10015938A1
Application number: DE2000115938
Authority: DE
Inventors: Andreas Herrmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2001-10-18
Anticipated expiration: 2020-03-31
Also published as: DE10015938C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laser-Lötvorrichtung, mit einem Laser als Wärmequelle, mit einer Temperatur-Messeinrichtung zum Messen der Lötstellentemperatur und mit einer Regelungs- und/oder Steuerungseinrichtung, die die Laserleistung in Abhängigkeit von der gemessenen Lötstellentemperatur und einer Lötstellen-Solltemperatur regelt und/oder steuert. DOLLAR A Erfindungsgemäß sind Mittel vorgesehen, die den Emissionsgrad der Lötstellenoberfläche abschätzen, wobei die Lötstellen-Solltemperatur in Abhängigkeit von dem abgeschätzten Emissionsgrad der Lötstellenoberfläche gewählt wird. DOLLAR A Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Abschätzen des Emissionsgrades einer Lötstellenoberfläche.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laser-Lötvorrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen und ein Verfahren zum Abschätzen des Emissionsgrades einer Lötstellenoberfläche.

Stand der Technik

Insbesondere für Weichlötverfahren werden immer häufiger Laser-Lötvorrichtungen eingesetzt, die einen Laser als Wärmequelle verwenden. Um einen sicheren und reproduzier baren Lötvorgang möglichst fehlerfrei zu realisieren, werden temperaturgeregelte Verfahren eingesetzt. Die Löt stellentemperatur wird mit einer Temperatur-Messein richtung gemessen, die beispielsweise durch ein Strah lungspyrometer gebildet sein kann, das eine berührungs freie Temperaturmessung ermöglicht.

Die gemessene Lötstellentemperatur wird mit einer Löt stellen-Solltemperatur verglichen, wobei die Laserleis tung durch eine Regelungs- und/oder Steuerungseinrichtung entsprechend geregelt und/oder gesteuert wird.

Das Laser-Lötverfahren kann in drei Phasen unterteilt werden. In der Aufwärmphase werden die Lötstelle bzw. die Fügepartner auf die notwendige Temperatur erwärmt. In der Lotabschmelzphase wird die benötigte Menge Lot abge schmolzen und in der Nachwärmphase wird das Lot so lange flüssig gehalten, bis der Benetzungsvorgang abgeschlossen ist.

Die metallischen Oberflächen der zu lötenden Bauteile können je nach Lagerzeit und Umweltbedingungen vor dem Lötvorgang oxidieren. Dadurch wird das Einkoppelverhalten der Laserstrahlung und die pyrometrische Temperaturmes sung beeinflusst. Die unterschiedliche Einkopplung sowie die fehlerbehaftete Lötstellen-Temperaturmessung führen zu einem unsicheren und nicht reproduzierbaren Aufwärmen der Bauteile und schließlich zu einem unsicheren Ab schmelzen des Lotes.

Bei den bekannten Laser-Lötvorrichtungen wird ein Emissi ons-Sollgrad der Lötoberfläche fest eingestellt. Wenn der Emissions-Istgrad, beispielsweise durch Oxidation der Lötoberfläche vor dem eigentlichen Lötvorgang, höher als der eingestellte Emissions-Sollgrad ist, kommt es zu ei nem Messfehler.

In diesem Fall liegt die tatsächliche Temperatur im Bau teil unter der durch das Strahlungspyrometer gemessenen Lötstellentemperatur. Somit besteht die Gefahr, dass das Lot am Ende der Aufwärmphase an der Lötstellenoberfläche nicht abschmelzen kann.

Wenn der Emissions-Istgrad der Lötoberfläche unter dem fest eingestellten Emissions-Sollgrad liegt, ist die tat sächliche Temperatur im Bauteil höher als die durch das Strahlungspyrometer gemessene Lötstellentemperatur. In diesem Fall können Benetzungsprobleme aufgrund starker Oxidation der Lötstellenoberfläche auftreten. Weiterhin besteht die Gefahr der Überhitzung der Lötstelle.

Vorteile der Erfindung

Dadurch, dass bei der Laser-Lötvorrichtung Mittel vorge sehen sind, die den Emissionsgrad der Lötstellenoberflä che abschätzen, und dass die Lötstellentemperatur in Ab hängigkeit von dem abgeschätzten Emissionsgrad der Löt stellenoberfläche gewählt wird, können die vorstehend ge nannten Probleme vermieden werden.

Gleiches gilt für das erfindungsgemäße Verfahren zum Ab schätzen des Emissionsgrades einer Lötstellenoberfläche, dass die folgenden Schritte umfasst: (a) Verwenden eines Lasers zum Erzielen und/oder Aufrechterhalten einer vor gegebenen Lötstellentemperatur; (b) Ermitteln eines La serenergie-Istwertes durch Aufintegrieren der erforderli chen Laserleistung zum Erzielen und/oder Aufrechterhalten der vorgegebenen Lötstellentemperatur; und (c) Abschätzen des Emissionsgrades durch Vergleichen des Laserenergie- Istwertes mit einem vorgegebenen Laserenergie-Sollwert.

Bei der erfindungsgemäßen Laser-Lötvorrichtung umfassen die Mittel vorzugsweise einen Integrator, der zur Bestim mung eines Laserenergie-Istwertes, die von dem Laser ab gegebene Laserleistung aufintegriert, die zum Erzielen und/oder Aufrechterhalten einer vorgegebenen Lötstellen temperatur erforderlich ist.

Die Mittel können weiterhin eine Speichereinrichtung um fassen, in der ein vorgegebener Laserenergie-Sollwert ge speichert ist, der beispielsweise durch Versuche an Refe renzlötstellen ermittelt wurde.

Die Mittel können auch einen Vergleicher umfassen, der den Laserenergie-Istwert mit dem Laserenergie-Sollwert vergleicht, wobei der Emissionsgrad als über einem Emis sions-Sollgrad liegend angenommen werden kann, wenn der Laserenergie-Istwert niedriger als der Laserenergie- Sollwert ist. In Analogie hierzu kann der Emissionsgrad als unter einem Emissions-Sollgrad liegend angenommen werden, wenn der Laserenergie-Istwert höher als der La serenergie-Sollwert ist.

Um eine möglichst fehlerfreie Lötverbindung zu erzeugen, wird die Lötstellen-Solltemperatur vorzugsweise erhöht, wenn der Laserenergie-Istwert niedriger als der Laser energie-Sollwert ist, während die Lötstellen-Solltem peratur herabgesetzt werden kann, wenn der Laserenergie- Istwert höher als der Laserenergie-Sollwert ist.

Vorzugsweise ist die Temperatur-Messeinrichtung durch ein an sich bekanntes Strahlungspyrometer gebildet, welches eine berührungslose Temperaturmessung ermöglicht.

Der als Wärmequelle eingesetzte Laser kann durch einen Hochleistungs-Diodenlaser gebildet sein, der für Lötvor richtungen besonders gut geeignet ist.

Auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Laser energie-Sollwert vorzugsweise über Muster- bzw. Referenz lötstellen ermittelt.

Der Emissionsgrad wird dann als über einem vorgegebenen Emissions-Sollgrad liegend angenommen, wenn der Laser energie-Istwert niedriger als der Laserenergie-Sollwert ist.

In Analogie hierzu kann der Emissionsgrad als unter einem vorgegebenen Emissionsgrad liegend angenommen werden, wenn der Laserenergie-Istwert höher als der Laserenergie- Sollwert ist, wobei als Laserenergie-Sollwert vorzugswei se jeweils der gleiche Wert verwendet wird, der bei spielsweise durch Versuche ermittelt wurde.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorsehen, dass eine Lötstellen-Solltemperatur erhöht wird, wenn der Emissi onsgrad größer als vorgegebener Emissionsgrad ist, wobei diese Lötstellen-Solltemperatur erfindungsgemäß herabge setzt wird, wenn der Emissionsgrad kleiner als der vorge gebene Emissionsgrad ist.

Auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Löt stellen-Temperaturmessung vorzugsweise berührungslos über ein Strahlungspyrometer und der Laser ist ein Hoch leistungs-Diodenlaser.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Erfin dung eine Korrektur der Solltemperatur als Führungsgröße im Temperaturregelkreis vorsieht, wozu der Emissionsgrad der Oberfläche in der Aufwärmphase abgeschätzt und die Lötstellen-Solltemperatur in dieser Phase entsprechend korrigiert wird, damit ein sicheres Abschmelzen des Lotes gewährleistet werden kann.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den Signalflussplan eines Regelkreises ei ner bekannten Laser-Lötvorrichtung; und

Fig. 2 ein Beispiel für einen durch die Erfindung erzielten Lötstellen-Solltemeratur-Ver lauf.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt den Signalflussplan eines Regelkreises für eine bekannte Laser-Lötvorrichtung, der auch mit der vor liegenden Erfindung verwendet werden kann. Die Regelein richtung ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 versehen und umfasst einen Regler 4, ein Stellglied 3 sowie eine Temperatur-Messeinrichtung 5. Als Regelgröße x dient die Lötstellentemperatur, die durch die Temperatur-Messein richtung 5 in Form eines Pyrometers erfasst wird. Die La serleistung bildet die Stellgröße y. Die Regeleingangs größe ist mit x_R bezeichnet, während die Reglerausgangs größe mit dem Bezugszeichen y_R versehen ist. Als Füh rungsgröße w dient die Lötstellen-Solltemperatur.

Die Stellgröße y dient als Eingangsgröße der insgesamt mit 2 bezeichneten Regelstrecke, deren Ausgangssignal die Regelgröße x ist.

Zur Abschätzung des aktuellen Emissionsgrades der Löt stellenoberfläche wird die abgegebene Laserleistung zu Beginn des Verfahrens aufintegriert und zu einem festen Zeitpunkt noch während der Aufwärmphase mit einem vorge gebenen Wert verglichen. Die Lötstellen-Solltemperatur wird dann entsprechend korrigiert, um die tatsächliche Temperatur der Lötstelle auf ein Niveau zu bringen, wel ches ein sicheres Abschmelzen, garantiert.

Der Vorteil der Erfindung liegt somit darin, dass auf un terschiedliche Oxidationsgrade der zu lötenden Bauteile reagiert werden, kann. Der Vorgang des Aufwärmens wird ab gesichert, sodass das Lot sicher abschmelzen kann, was für den Erfolg und die Fehlerfreiheit des Lötvorgangs wichtig ist.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für einen durch die Erfindung erzielten Lötstellen-Solltemperatur-Verlauf, wobei auf der Achse t die Zeit und auf der Achse y die Temperatur aufgetragen ist.

Wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, wird die anfangs er wähnte Aufwärmphase AP zur Abschätzung des Emissionsgra des in zwei Abschnitte unterteilt. Im ersten vor dem Zeitpunkt t₁ liegenden Abschnitt wird die Lötstellentem peratur, die durch das Strahlungspyrometer erfasst wird, vom Regler konstant gehalten, nachdem sie einen Wert T_s erreicht hat. Gleichzeitig wird die von dem Laser abgege bene Leistung aufintegriert, um einen Laserenergie- Istwert zu bilden. Am Ende des ersten Abschnitts der Auf wärmphase, das heißt zum Zeitpunkt t₁, wird der durch das Aufintegrieren gebildete Laserenergie-Istwert mit einem Laserenergie-Sollwert verglichen. Dieser Laserenergie- Sollwert wird vorab anhand von Musterlötungen ermittelt.

Wenn der Laserenergie-Istwert, der die zum Erzielen und Aufrechterhalten der Temperatur T_s erforderliche Energie kennzeichnet, niedriger als der durch die Versuche ermit telte Laserenergie-Sollwert ist, ist der Emissions- Istgrad der Lötoberfläche höher als der angenommene Emis sions-Sollgrad. Durch einen höheren Emissions-Istgrad kann die Laserstrahlung jedoch besser in das Material einkoppeln und die Lötoberfläche emittiert mehr Infrarot strahlung, was zu einem Messfehler bei der Temperaturmes sung führt. Um ein sicheres Abschmelzen des Lotes zu ge währleisten, wird die Lötstellen-Solltemperatur im zwei ten Abschnitt angehoben, der in Fig. 2 zwischen den bei den Vertikalen gestrichelten Linien dargestellt ist. Die angehobene Lötstellen-Solltemperatur ist in Fig. 2 durch den Kurvenabschnitt T_S1 dargestellt.

Wenn der durch das Aufintegrieren der Laserleistung be stimmte Laserenergie-Istwert gleich dem Laserenergie- Sollwert ist, ist keine Korrektur der Lötstellen- Solltemperatur erforderlich, wie dies durch den Kurvenab schnitt T_S2 angedeutet ist.

Wenn der durch das Aufintegrieren der Laserleistung be stimmte Laserenergie-Istwert höher als der Laserenergie- Sollwert ist, ist der Emissions-Istgrad der Lötstellen oberfläche kleiner als der angenommene Emissions- Sollgrad. Die tatsächliche Temperatur der Lötstelle ist in diesem Fall höher als notwendig und wird daher im zweiten Abschnitt durch ein Herabsetzen der Solltempera tur nach unten korrigiert, wie dies durch den Kurvenab schnitt T_S2 dargestellt ist.

Dadurch, dass der Emissionsgrad der Oberfläche der Füge partner sowohl bei der erfindungsgemäßen Lötvorrichtung als auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren abgeschätzt bzw. bestimmt wird, kann die Anzahl von fehlerhaften Löt stellen im Vergleich zu bekannten Laser-Lötvorrichtungen bzw. -Verfahren deutlich gesenkt werden.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfin dung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombi nation für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims

1. Laser-Lötvorrichtung, mit einem Laser als Wärmequelle, mit einer Temperatur-Messeinrichtung zum Messen der Löt stellentemperatur und mit einer Regelungs- und/oder Steu erungseinrichtung, die die Laserleistung in Abhängigkeit von der gemessenen Lötstellentemperatur und einer Löt stellen-Solltemperatur regelt und/oder steuert, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die den Emissionsgrad der Lötstellenoberfläche abschätzen, und dass die Lötstellen-Solltemperatur in Abhängigkeit von dem abgeschätzten Emissionsgrad der Lötstellenoberfläche gewählt wird.

2. Laser-Lötvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Mittel einen Integrator umfassen, der zur Bestimmung eines Laserenegie-Istwertes die von dem Laser abgegebene Laserleistung aufintegriert, die zum Er zielen und/oder Aufrechterhalten einer vorgegebenen Löt stellentemperatur erforderlich ist.

3. Laser-Lötvorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine Speichereinrichtung umfassen, in der ein vorgegebener La serenergie-Sollwert gespeichert ist.

4. Laser-Lötvorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel einen Vergleicher umfassen, der den Laserenergie-Istwert mit dem Laserenergie-Sollwert vergleicht.

5. Laser-Lötvorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Emissionsgrad als über einem Emissions-Sollgrad liegend angenommen wird, wenn der Laserenergie-Istwert niedriger als der La serenergie-Sollwert ist.

6. Laser-Lötvorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Emissionsgrad als unter einem Emissions-Sollgrad liegend angenommen wird, wenn der Laserenergie-Istwert höher als der Laser energie-Sollwert ist.

7. Laser-Lötvorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötstellen- Solltemperatur erhöht wird, wenn der Laserenergie-Istwert niedriger als der Laserenergie-Sollwert ist.

8. Laser-Lötvorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötstellen- Solltemperatur herabgesetzt wird, wenn der Laserenergie- Istwert höher als der Laserenergie-Sollwert ist.

9. Laser-Lötvorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur- Messeinrichtung ein Strahlungspyrometer umfasst, mit dem die Temperaturmessung berührungslos erfolgen kann.

10. Laser-Lötvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein Hochleistungs-Diodenlaser ist.

11. Verfahren zum Abschätzen des Emissionsgrades einer Lötstellenoberfläche, mit den folgenden Schritten:

a) Verwenden eines Lasers zum Erzielen und/oder Auf rechterhalten einer vorgegebenen Lötstellentempera tur;
b) Ermitteln eines Laserenergie-Istwertes durch Aufin tegrieren der erforderlichen Laserleistung zum Er zielen und/oder Aufrechterhalten der vorgegebenen Lötstellentemperatur;
c) Abschätzen des Emissionsgrades durch Vergleichen des Laserenergie-Istwertes mit einem vorgegebenen Laser energie-Sollwert.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebenen Laserenergie-Sollwert über Muster lötstellen ermittelt.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn zeichnet, dass der Emissionsgrad als über einem vorgege benen Emissions-Sollgrad liegend angenommen wird, wenn der Laserenergie-Istwert niedriger als der Laserenergie- Sollwert ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Emissionsgrad als unter einem vorgegebenen Emissionsgrad liegend angenommen wird, wenn der Laserenergie-Istwert höher als der Laserenergie- Sollwert ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lötstellen-Solltemperatur er höht wird, wenn der Laserenergie-Istwert niedriger als der Laserenergie-Sollwert ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, da durch gekennzeichnet, dass eine Lötstellen-Solltemperatur erhöht wird, wenn der Emissionsgrad größer als ein vorge gebener Emissionsgrad ist.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, da durch gekennzeichnet, dass eine Lötstellen-Solltemperatur herabgesetzt wird, wenn der Emissionsgrad kleiner als ein vorgegebener Emissionsgrad ist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, da durch gekennzeichnet, dass die Lötstellentemperatur be rührungslos durch ein Strahlungspyrometer gemessen wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, da durch gekennzeichnet, dass der Laser ein Hochleistungs- Diodenlaser ist.