DE10064487B4 - Verfahren zum Löten von Bauteilen - Google Patents

Abstract

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 werden 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 (T_ist) an der Lötstelle (15) berührungslos mittels eines Strahlungspyrometers (17) gemessen und mit einer Solltemperatur (T_soll) verglichen wird, und dass die Leistung des Laserstrahls (14) abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Solltemperatur (T_soll) und Isttemperatur (T_ist) geregelt wird, wobei der Lötprozess in mehrere Prozessphasen (I, II, III) aufgeteilt und in den einzelnen Prozessphasen (I, II, III) die Temperatur auf eine jeweils vorgegebene Solltemperatur (T_soll) eingestellt wird.

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.
• Weiterhin ist aus der EP 577 569 ein Verfahren zum Löten sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bekannt bei dem die von einer Lötstelle abgestrahlte Wärmeleistung gemessen, differenziert und auf eine Verringerung in der Steigung überwacht wird. Auf diese Weise wird ein Aufschmelzen des Lotes erkannt und die Wärmezufuhr durch den Laser entsprechend gedrosselt.
• Vorteile der Erfindung
• 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 Unteransprüchen 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 8 angegeben.
• Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung zeigen die Ansprüche 9 und 10.
• Zeichnung
• Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
• 1 ein Schaltbild einer Vorrichtung zum Löten,
• 2 ein Diagramm des Temperaturverlaufs über der Zeit während eines Lötprozesses.
• Beschreibung des Ausführungsbeispiels
• Mit der in 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 T_ist mit der Solltemperatur T_soll 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 T_soll 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 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 T_ist an der Lötstelle berührungslos gemessen und der Meßwert dem Regler 18 zugeführt wird. Eine entsprechend der bestehenden Temperaturdifferenz zwischen Solltemperatur T_soll und Isttemperatur T_ist vom Regler 18 erzeugte Stellgröße wird an die Steuereinheit 16 angelegt. Entsprechend der Stellgröße vergrößert die Steuereinheit 16 die Laserleistung, wenn die Isttemperatur T_ist kleiner als die Solltemperatur T_soll ist, und verkleinert die Laserleistung, wenn umgekehrt die Isttemperatur T_ist größer als die Solltemperatur T_soll ist.
• Um Besonderheiten beim Lötprozeß zu berücksichtigen, wird die Solltemperatur T_soll 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 2 ist in der Prozeßphase die Solltemperatur T_soll 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 T_soll 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 T_ist 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 T_soll erreicht ist. Dadurch sinkt die tatsächliche Temperatur in der Lötstelle ab. Wird nun aber in der Prozeßphase I eine geringere Solltemperatur T_soll vorgegeben und in der Prozeßphase II die Solltemperatur T_soll 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 T_soll und der gemessenen Isttemperatur T_ist 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 T_soll 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 2 ein Diagramm des Temperaturverlaufs über der Zeit dargestellt. Die Kennlinie a stellt dabei die vom Strahlungspyrometer 17 gemessene Isttemperatur T_ist 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 (10)

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 werden 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 (T_ist) an der Lötstelle (15) berührungslos mittels eines Strahlungspyrometers (17) gemessen und mit einer Solltemperatur (T_soll) verglichen wird, und dass die Leistung des Laserstrahls (14) abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Solltemperatur (T_soll) und Isttemperatur (T_ist) geregelt wird, wobei der Lötprozess in mehrere Prozessphasen (I, II, III) aufgeteilt und in den einzelnen Prozessphasen (I, II, III) die Temperatur auf eine jeweils vorgegebene Solltemperatur (T_soll) eingestellt wird.
2. verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Prozessphasen (I, II, III) eine obere und/oder untere Grenze für die steuerbare Leistung des Laserstrahls (14) eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lötprozess in drei Prozessphasen (I, II, III), die Aufwärmphase (I), die Lotabschmelzphase (II) und die Nachwärmphase (III) aufgeteilt ist und dass die Solltemperatur (T_soll) in der Aufwärmphase (I) wesentlich niedriger eingestellt wird als in den übrigen beiden Prozessphasen (II, III).
4. verfahren nach Anspruch 3, 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.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Lotabschmelzphase (II) eine Umschaltung der Solltemperatur (T_soll) auf einen höheren Wert dann vorgenommen wird, wenn flüssiges Lot in den Messfleck des Strahlungspyrometers (17) fließt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (14) mittels eines Diodenlasers, eines CO₂-Lasers oder eines Nd:YAG-Lasers erzeugt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessparameter die Temperatur in der Lötstelle (15), die Leistung des Laserstrahls (14) und/oder die benötigte Laserenergie herangezogen werden.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Laserstrahlquelle (13) und einer Steuereinheit (16) zur Steuerung der Leistung der Laserstrahlquelle (13), gekennzeichnet durch ein die Isttemperatur (T_ist) 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.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungspyrometer (17) mit der Laserstrahlquelle (13) baulich vereinigt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquelle (13) ein Diodenlaser, ein CO₂-Laser oder ein Nd:YAG-Laser ist.