DE10064487A1 - Verfahren zum Löten von Bauteilen - Google Patents
Verfahren zum Löten von BauteilenInfo
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Abstract
Bei einem Verfahren zum Löten von Bauteilen (11, 12) werden die zu fügenden Bauteile (11, 12) mittels eines Laserstrahls (14) auf eine zum Abschmelzen eines zugeführten Lots erforderlichen Temperatur erwärmt und die Erwärmung für eine Zeitspanne aufrechterhalten, die für eine vollständige Lotbenetzung der Bauteile (11, 12) erforderlich ist. Zur Erzielung einer hohen Reproduzierbarkeit des Lötprozesses mit qualitativ gutem Lötergebnis ist der Lötprozeß temperaturgeregelt, wobei die Isttemperatur T¶ist¶ an der Lötstelle (15) berührungslos gemessen und mit einer Solltemperatur T¶soll¶ verglichen und die Leistung des Laserstrahls (14) abhängig von der Temperaturdifferenz so verändert wird, daß letztere sich maximal verkleinert (Fig. 1).
Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Löten von
Bauteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einem bekannten Verfahren zum Verbinden von Bauteilen
durch Weichlöten wird ein Hochleistungsdiodenlaser mit einer
Ausgangsleistung von 20-100 W als Wärmequelle verwendet.
Der Laserstrahl erwärmt die beiden zu fügenden Teile bis auf
eine Temperatur, bei der das Lot abschmelzen kann. Das
abgeschmolzene Lot wird anschließend vom Laserstrahl solange
flüssig gehalten, bis der Benetzungsvorgang zwischen Lot und
Bauteilen abgeschlossen ist. Die Laserleistung wird vor dem
eigentlichen Lötprozeß eingestellt und während des Prozesses
konstant gehalten (vgl. u. a.: Alavi, Büttgenbach, "Löten von
Feindrähten auf Cu-Anschlußflächen mit Laserstrahl", Laser
und Optoelektrik, 1988). Das Einkoppelverhalten des
Laserstrahls während des Lötprozesses wird durch
Prozeßgegebenheiten, wie vor oder während des Lötprozesses
oxidierende Oberflächen oder in den Laserfleck einfließendes
Lot, beeinflußt. Die Folge sind große Temperaturschwankungen
in der Lötstelle, wodurch die Qualität der Lötverbindung
gemindert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß durch die
Regelung der Laserleistung die Temperatur in der Lötstelle
weitgehend konstant gehalten wird und durch den
temperaturgeregelten Lötprozeß eine wesentlich höhere
Reproduzierbarkeit erzielt wird, als dies mit dem bekannten
ungeregelten Lötprozeß möglich ist. Die Bauteile lassen sich
mit kurzen Lötzeiten sehr sicher und mit guter Qualität
verlöten. Durch die temperaturabhängige Regelung der
Laserleistung läßt sich zudem der Lötprozeß individuell auf
die Gegebenheiten an den Bauteilen einstellen.
Durch die in den weiteren Ansprüchen 2-11 aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und
Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Lötverfahrens
möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird
der Lötprozeß in mehrere Prozeßphasen aufgeteilt und in den
Prozeßphasen die Solltemperatur individuell eingestellt.
Durch diese Einstellung von optimal angepaßten
Solltemperaturen in verschiedenen Prozeßphasen läßt sich z. B.
in einer Prozeßphase "Nachwärmen" eine höhere Temperatur in
der Lötstelle erreichen, was beim Verlöten von lackisolierten
Drähten vorteilhaft ist, da durch die höhere Temperatur im
Lot die Isolationsschicht sicher aufgeschmolzen wird. Durch
das Anheben der Solltemperatur von einer niedrigeren
Solltemperatur in der Prozeßphase "Aufwärmen" in eine höhere
Solltemperatur in der Prozeßphase "Lotabschmelzen" wird ein
Temperaturabfall in der Lötstelle verhindert, der dadurch
entsteht, daß sich durch das einfließende flüssige Lot der
Emissionsgrad der Lötstelle erhöht, dadurch ein die
Temperatur in der Lötstelle erfassendes Strahlungspyrometer
eine höhere Temperatur mißt als tatsächlich vorhanden und
durch die sich verkleinernde Temperaturdifferenz zwischen
Solltemperatur und Isttemperatur auch die Laserleistung
reduziert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird
in den Prozeßphasen eine obere und eine untere Grenze der
durch die Regelung veränderbaren Leistung des Laserstrahls
individuell eingestellt. Dadurch kann z. B. in der Prozeßphase
"Erwärmen" eine Oxidation der Oberfläche der Bauteile durch
eine zu hohe Laserleistung vermieden werden, während in den
nachfolgenden Prozeßphasen die volle Laserleistung für das
Aufschmelzen des Lots und für den Benetzungsvorgang zur
Verfügung steht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird
eine Anhebung der Solltemperatur in der Prozeßphase
"Lotabschmelzen" dann vorgenommen, sobald das flüssige Lot in
den Meßfleck des zur Temperaturmessung verwendeten
Strahlungspyrometers fließt. Der Vorteil dieser Maßnahme
liegt darin, daß erst dann eine höhere Temperatur eingeregelt
wird, wenn die gesamte vom Strahlungspyrometer erfaßte
Meßfläche den gleichen Emissionsgrad aufweist. Dadurch werden
durch das fließende Lot verursachte Störungen bei der
Temperaturmessung minimiert.
Die optimalen Solltemperaturen für die einzelnen Prozeßphasen
werden vor dem Lötprozeß ermittelt und dann mittels einer
Prozeßsteuerung in den einzelnen Prozeßphasen zeitgerecht
eingestellt.
Eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen
Lötverfahrens ist in Anspruch 12 angegeben.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung zeigen die
Ansprüche 13-15.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es
zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild einer Vorrichtung zum Löten,
Fig. 2 ein Diagramm des Temperaturverlaufs über der
Zeit während eines Lötprozesses.
Mit der in Fig. 1 schematisch im Schaltbild dargestellten
Lötvorrichtung werden zwei Bauteile 11 und 12 durch
Weichlöten miteinander verbunden, wobei das dazu
erforderliche Lot mittels eines hier nicht dargestellten
Lotdrahts zugeführt wird. Anstelle eines Lotdrahts kann zur
Lotzufuhr auch Lotpaste, ein Lotformteil oder ein Lotdepot,
das an einem der Bauteile 11, 12 vorgesehen ist, verwendet
werden. Die Lötvorrichtung weist eine Laserstrahlquelle 13
auf, die einen, auf die Lötstelle 15 gerichteten Laserstrahl
14 erzeugt. Mittels einer Steuereinheit 16 ist dabei die
Leistung der Laserstrahlquelle 13, im folgenden kurz
Laserleistung genannt, steuerbar. Als Laserstrahlquelle 13
wird ein Hochleistungsdiodenlaser verwendet. Alternativ kann
auch ein CO2-Laser oder ein Nd:YAG-Laser eingesetzt werden.
In der Laserstrahlquelle 13 ist ein Strahlungspyrometer 17
integriert, mit dem die Oberflächentemperatur in der
Lötstelle 15 berührungslos gemessen wird. Der Meßwertausgang
des Strahlungspyrometers 17, an dem eine der gemessenen
Isttemperatur entsprechende Meßgröße ansteht, ist mit dem
Istwerteingang eines Reglers 18 verbunden, an dessen
Sollwerteingang ein Solltemperaturgeber 19 angeschlossen ist.
Der Regler 18 vergleicht die Isttemperatur Tist mit der
Solltemperatur Tsoll und legt eine der Regeldifferenz
entsprechende Stellgröße an seinen Ausgang. Der Reglerausgang
ist mit der Steuereinheit 16 verbunden. Die an die
Steuereinheit 16 gelangende Stellgröße löst eine Änderung der
Laserleistung aus, und zwar in einem solchen Sinne, daß die
Regeldifferenz minimiert, also möglichst Null, wird. Eine
Prozeßsteuereinrichtung 20 sorgt für den automatischen Ablauf
des Lötprozesses und gibt unter anderem durch entsprechende
Einstellung des Solltemperaturgebers 19 vorprogrammierte Wert
der Solltemperatur Tsoll an den Regler 18 und legt für
verschiedene Prozeßphasen obere und untere Grenzen für die
von der Laserstrahlquelle 13 abgestrahlte Laserleistung fest.
Der in der Lötvorrichtung ablaufende Lötprozeß ist in seinen
Parametern vorgegeben und wird von der
Prozeßsteuereinrichtung 20 entsprechend gesteuert. Im
Ausführungsbeispiel des Weichlötens ist dabei der Lötprozeß
in drei Prozeßphasen, der Vorwärmphase, der Lotabschmelzphase
und der Nachwärmphase, unterteilt. Diese drei Phasen, die
zeitlich aufeinanderfolgend ablaufen, sind im Diagramm der
Fig. 2 mit I, II und III gekennzeichnet. In der Vorwärmphase
I wird die Lötstelle 15 an den beiden Bauteilen 11, 12 auf
die notwendige Temperatur gebracht. In der Lotabschmelzphase
II wird die notwendige Lotmenge, z. B. vom Lotdraht,
abgeschmolzen, und in der Nachwärmphase III werden die beiden
zu fügenden Bauteile 11, 12 mit flüssigem Lot benetzt, und
wodurch eine Lötverbindung guter Qualität hergestellt wird.
Der ganze Lötprozeß ist temperaturgeregelt, wobei mittels des
Strahlungspyrometers 17 fortlaufend die Isttemperatur Tist an
der Lötstelle berührungslos gemessen und der Meßwert dem
Regler 18 zugeführt wird. Eine entsprechend der bestehenden
Temperaturdifferenz zwischen Solltemperatur Tsoll und
Isttemperatur Tist vom Regler 18 erzeugte Stellgröße wird an
die Steuereinheit 16 angelegt. Entsprechend der Stellgröße
vergrößert die Steuereinheit 16 die Laserleistung, wenn die
Isttemperatur Tist kleiner als die Solltemperatur Tsoll ist,
und verkleinert die Laserleistung, wenn umgekehrt die
Isttemperatur Tist größer als die Solltemperatur Tsoll ist.
Um Besonderheiten beim Lötprozeß zu berücksichtigen, wird die
Solltemperatur Tsoll für jede Prozeßphase I, II, III
individuell eingestellt. Zusätzlich wird in den Prozeßphasen
auch die minimale und/oder maximale Laserleistung, die über
den Regler 18 eingestellt werden kann, von der
Prozeßsteuereinrichtung 20 vorgegeben. Im Ausführungsbeispiel
der Prozeßführung gemäß Fig. 2 ist in der Prozeßphase die
Solltemperatur Tsoll. z. B. auf 240°C und in den beiden
Prozeßphasen II und III z. B. auf 370°C eingestellt.
Zusätzlich ist die Laserleistung, die maximal 100 W beträgt,
in der Prozeßphase I auf z. B. 60 W begrenzt. Durch diese
individuelle Anpassung von Solltemperatur Tsoll und Obergrenze
der maximal verfügbaren Laserleistung in dem einzelnen
Prozeßphasen I, II, III werden sich auf die Qualität der
Lötverbindung schädlich auswirkende Effekte beim Lötprozeß
weitgehend kompensiert.
So hängt der vom Strahlungspyrometer 17 gemessene
Temperaturistwert Tist vom aktuellen Emissionsgrad der
Oberfläche in der Lötstelle 15 ab. Dieser Emissionsgrad
ändert sich während des Lötvorgangs signifikant, z. B. durch
flüssiges Lot, welches in der Lotabschmelzphase in den
Meßfleck des Strahlungspyrometers 17 fließt. Wird z. B. auf
blanken, metallischen Oberflächen gelötet, erhöht sich der
Emissionsgrad, sobald flüssiges Lot in den Meßfleck des
Strahlungspyrometers 17 fließt. Dadurch mißt das
Strahlungspyrometer 17 eine höhere Temperatur, als sie
tatsächlich vorhanden ist. Folglich wird der Regler 18 die
Laserleistung soweit reduzieren, bis die Solltemperatur Tsoll
erreicht ist. Dadurch sinkt die tatsächliche Temperatur in
der Lötstelle ab. Wird nun aber in der Prozeßphase I eine
geringere Solltemperatur Tsoll vorgegeben und in der
Prozeßphase II die Solltemperatur Tsoll dann erhöht, wenn das
flüssige Lot in den Meßfleck des Strahlungspyrometer fließt,
so wird dieser Störungseffekt minimiert, da der Regler 18
erst dann eine höhere Temperatur einregeln muß, wenn die
gesamte Meßfläche des Strahlungspyrometers 17 den gleichen
Emissionsgrad hat.
Auch die Begrenzung der vom Regler 18 maximal aussteuerbaren
Laserleistung auf z. B. 60 W verhindert eine zu hohe
Laserleistung in der Aufwärmphase I, die durch eine
Meßeigenheit des Strahlungspyrometers 17 zustande kommt und
zu einer Oxidation der Oberfläche der Lötverbindung führen
würde. Diese Meßeigenheit ist dadurch begründet, daß das
Messen auf metallischen Oberflächen im Bereich um 100°C und
damit kleinen Emissionsgraden mit großen Fehlern behaftet
ist. Das Strahlungspyrometer 17 wird daher in der
Aufwärmphase I erst einige Zeit nach Prozeßbeginn eine
Temperatur anzeigen. Bis dahin wird aber der Regler 18
aufgrund der großen Differenz zwischen der eingestellten
Solltemperatur Tsoll und der gemessenen Isttemperatur Tist die
Laserleistung maximal erhöhen, so daß es durch diese hohe
Laserleistung zu der erwähnten Oxidation der Oberflächen
kommt, was zu Benetzungsproblemen in der Lotabschmelzphase II
und Nachwärmphase III führen kann.
Die Möglichkeit, z. B. in der Nachwärmphase III eine höhere
Solltemperatur Tsoll einstellen zu können, ist dann von
Vorteil, wenn z. B. lackisolierte Drähte verlötet werden
sollen. Durch die größere Solltemperaturvorgabe wird in der
Nachwärmphase III die Lötstelle 15 auf einer höheren
Temperatur gehalten, die beispielsweise größer ist als in der
Lotabschmelzphase II. Dadurch kann beim Laserlöten von
lackisolierten Drähten die Isolationsschicht sehr gut
aufgeschmolzen und eine zuverlässige Lötverbindung
hergestellt werden.
Zur Illustration des vorstehend beschriebenen Lötprozesses
ist in Fig. 2 ein Diagramm des Temperaturverlaufs über der
Zeit dargestellt. Die Kennlinie a stellt dabei die vom
Strahlungspyrometer 17 gemessene Isttemperatur Tist dar und
die Kennlinie b die in der Lötstelle 15 herschende "wahre"
Temperatur. Letztere wurde für Versuchszwecke mit an den
Bauteilen 11, 12 angeordneten, geeigneten Temperatursensoren
gemessen.
Bei dem vorstehend beschriebenen, temperaturgeregelten
Lötverfahren kann durch Überwachung von Prozeßparametern eine
Prozeßkontrolle vorgenommen werden. Als Prozeßparameter
können dabei die Temperatur an der Lötstelle 15, die
Laserleistung und/oder die Laserenergie herangezogen werden.
Letztere läßt sich durch Integration der Laserleistung über
die Prozeßzeit bestimmen.
Claims (15)
1. Verfahren zum Löten von Bauteilen (11, 12), bei dem die
zu fügenden Bauteile (11, 12) mittels eines Laserstrahls
(14) auf eine zum Abschmelzen eines zugeführten Lots
erforderliche Temperatur erwärmt und die Erwärmung für
eine Zeitspanne aufrecht erhalten wird, die für eine
vollständige Lotbenetzung der Bauteile (11, 12)
erforderlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die
Isttemperatur (Tist) an der Lötstelle (15) berührungslos
gemessen und mit einer Solltemperatur (Tsoll) verglichen
wird und daß die Leistung des Laserstrahls (14) abhängig
von der Temperaturdifferenz zwischen Solltemperatur
(Tsoll) und Isttemperatur (Tist) so verändert wird, daß
die Temperaturdifferenz sich maximal verkleinert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Lötprozeß in mehrere Prozeßphasen (I, II, III)
aufgeteilt und in den Prozeßphasen (I, II, III) die
Solltemperatur (Tsoll) individuell eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
in den Prozeßphasen (I, II, III) eine obere und/oder
untere Grenze für die steuerbare Leistung des
Laserstrahls (14) individuell eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Lötprozeß in drei Prozeßphasen
(I, II, III), der Aufwärmphase (I), der
Lotabschmelzphase (II) und der Nachwärmphase (III),
aufgeteilt ist und daß die Solltemperatur (Tsoll) in der
Aufwärmphase (I) wesentlich niedriger eingestellt wird
als in den übrigen beiden Prozeßphasen (II, III).
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß in der Aufwärmphase (I) die obere
Grenze der Leistung des Laserstrahls (14) auf einen
Bruchteil der maximal möglichen Laserleistung, z. B. auf
6/10 der maximalen Laserleistung, festgelegt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Oberflächentemperatur an der
Lötstelle (15) mittels eines Strahlungspyrometers (17)
gemessen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
in der Lotabschmelzphase (II) eine Umschaltung der
Solltemperatur (Tsoll) auf einen höheren Wert dann
vorgenommen wird, wenn flüssiges Lot in dem Meßfleck des
Strahlungspyrometers (17) fließt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (14) mittels eines
Diodenlasers, eines CO2-Lasers oder eines Nd:YAG-Lasers
erzeugt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lotzufuhr zur Lötstelle (15)
mittels eines Lotdrahts, einer Lotpaste, eines
Lotformteils oder von einem an einem der Bauteile (11,
12) vorhandenen Lotdepot aus vorgenommen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch
gekennzeichnet, daß der Lötprozeß durch Überwachung
mindestens eines Prozeßparameters kontrolliert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
als Prozeßparameter die Temperatur in der Lötstelle
(15), die Leistung des Laserstrahls (14) und/oder die
benötigte Laserenergie herangezogen werden.
12. Vorrichtung zum Löten von Bauteilen (11, 12) mit einer
Laserstrahlquelle (13) und einer Steuereinheit (16) zur
Steuerung der Leistung der Laserstrahlquelle (13),
gekennzeichnet durch ein die Isttemperatur (Tist) in der
Lötstelle (15) erfassendes Strahlungspyrometer (17)
sowie einen mit dem Ausgang des Strahlungspyrometers
(17) und mit einem Solltemperaturgeber (19) verbundenen
Regler (18), dessen Ausgang an der Steuereinheit (16)
angeschlossen ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß das Strahlungspyrometer (17) in der
Laserstrahlquelle (13) integriert ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Prozeßsteuereinrichtung (20)
mit dem Solltemperaturgeber (19) und der Steuereinheit
(16) der Laserstrahlquelle (13) Verbunden ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12-14, dadurch
gekennzeichnet, daß die Laserstrahlquelle (13) ein
Diodenlaser, ein CO2-Laser oder ein Nd:YAG-Laser ist.
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